電磁感應(yīng)加熱尺寸效應(yīng)及其BGA封裝互連新方法特征研究.pdf

1、球柵陣列釬料互連技術(shù)是微電子封裝與組裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。無(wú)鉛進(jìn)程的立法使得無(wú)鉛釬料在電子產(chǎn)品中得以更廣泛的應(yīng)用。由于多數(shù)無(wú)鉛釬料需要更高的重熔溫度，因此通常采用的焊點(diǎn)整體加熱重熔工藝更容易引起器件和基板變形，從而降低互連焊點(diǎn)的可靠性。為了解決無(wú)鉛面陣封裝整體加熱引發(fā)的可靠性問(wèn)題，本文引入了局部選擇性加熱的概念，利用這一概念開(kāi)發(fā)高頻感應(yīng)加熱重熔微電子面陣封裝與組裝互連新方法，并分別從感應(yīng)加熱尺寸效應(yīng)、焊接工藝、熱特性，焊點(diǎn)形態(tài)控制以及界面反

2、應(yīng)等方面展開(kāi)討論。本文研究結(jié)果對(duì)于促進(jìn)電子產(chǎn)品無(wú)鉛化、增強(qiáng)無(wú)鉛面陣封裝適用性以及提高面陣封裝器件可靠性等都具有重要意義。
　　本文探討了微小尺度下薄膜材料感應(yīng)加熱的尺寸效應(yīng)以用于指導(dǎo)微小尺寸電磁感應(yīng)加熱應(yīng)用的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并據(jù)此選擇適用于電子封裝 BGA釬料焊點(diǎn)互連的頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)，分別討論了該新方法在電子封裝體系中對(duì)金屬互連焊點(diǎn)的選擇加熱特性和對(duì)互連焊點(diǎn)中不同位置的局部選擇性加熱。對(duì)金屬互連焊點(diǎn)的選擇性加熱可以解決整體加熱

3、的可靠性問(wèn)題，而利用對(duì)互連焊點(diǎn)內(nèi)部不同位置的局部選擇性加熱則可以用于控制微釬料互連點(diǎn)形態(tài)。此外，本文首次在Sn3.5Ag釬料與多晶Cu的液-固界面反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)棱鏡狀Cu6Sn5，并分析了其形成機(jī)制、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)以及在后續(xù)固相老化過(guò)程中其演變規(guī)律。
　　采用經(jīng)典電磁學(xué)理論討論了不同感應(yīng)加熱條件下薄膜材料發(fā)熱的尺寸效應(yīng)，并利用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證。提出薄膜器件被感應(yīng)加熱時(shí)存在極限尺寸，只有薄膜尺寸大于極限尺寸時(shí)器件才會(huì)被明顯加熱。薄

4、膜表面積越大，厚度越厚，外加磁場(chǎng)頻率越高、場(chǎng)強(qiáng)越大，磁場(chǎng)與薄膜材料表面的法向方向夾角越小，感應(yīng)加熱的效果越明顯，極限尺寸越小。
　　根據(jù)感應(yīng)加熱尺寸效應(yīng)的結(jié)論選擇頻率為300kHz的交變電磁場(chǎng)用于BGA釬料焊點(diǎn)的重熔互連，實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)區(qū)間。利用紅外測(cè)溫分析了高頻感應(yīng)加熱重熔的快速加熱快速冷卻特性以及局部選擇性加熱特性。通過(guò)對(duì)采用同等參數(shù)加熱芯片以及后續(xù)的電性能測(cè)試證明了高頻感應(yīng)加熱重熔方法在微電子器件的封裝與組裝中應(yīng)

5、用的可行性。
　　通過(guò)選擇合適頻率的外加電磁場(chǎng)和設(shè)計(jì)合理的焊盤(pán)尺寸，利用感應(yīng)加熱重熔，在沒(méi)有外加支撐物等特殊結(jié)構(gòu)的輔助下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)互連焊點(diǎn)形態(tài)控制，制備了沙漏形互連焊點(diǎn)。通過(guò)組織觀察、理論分析和有限元模擬得出釬料焊點(diǎn)的局部熔化現(xiàn)象是實(shí)現(xiàn)互連焊點(diǎn)形態(tài)控制的關(guān)鍵，并據(jù)此建立了合理的模型以解釋沙漏形互連焊點(diǎn)的形成過(guò)程。
　　通過(guò)與傳統(tǒng)熱風(fēng)重熔釬料凸臺(tái)對(duì)比，分析了高頻感應(yīng)加熱重熔釬料互連焊點(diǎn)的液-固界面反應(yīng)和固-固界面反應(yīng)的特性、生

6、成的界面金屬間化合物形貌以及其形成的機(jī)制和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。分析指出，隨著反應(yīng)溫度的增加Jackson因子增大，Cu6Sn5層由扇貝形轉(zhuǎn)變成棱鏡形，因此焊盤(pán)界面外圍存在的棱鏡狀Cu6Sn5晶粒證明，高頻感應(yīng)加熱重熔時(shí)界面溫度分布為外圍溫度高中心溫度低。扇貝狀Cu6Sn5的生長(zhǎng)主要由熟化通量控制，界面化合物的總量增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。棱鏡狀Cu6Sn5的生長(zhǎng)主要由界面反應(yīng)通量控制，由于晶粒間的幾乎沒(méi)有熟化作用，故Cu原子的快速擴(kuò)散通道得以保存，界面金屬